چاپ سه بعدی هم محور داربست هیدروژلی | آسیب نخاعی (Spinal Cord Injury یا SCI) در اثر نیروهای تروماتیک خارجی، تصادفات یا سقوط ایجاد می‌شود و ارتباط حیاتی سیگنال‌های الکتریکی میان سیستم عصبی محیطی و مغز را قطع می‌کند. این قطع مسیر ارتباطی، کنترل حرکتی و ادراک حسی بیمار را به طور کامل از بین می‌برد. از آنجا که طب بالینی هنوز روش درمانی قطعی و مؤثری برای ترمیم بافت آسیب‌دیده نخاع در اختیار ندارد، این عارضه اغلب ناتوانی مادام‌العمر، مشکلات روانی عمیق و هزینه‌های اقتصادی سنگینی را بر بیمار، خانواده و جامعه تحمیل می‌کند.
در سال‌های اخیر، جامعه علوم اعصاب توجه ویژه‌ای به سلول‌های بنیادی عصبی (NSCs) معطوف کرده‌اند. این سلول‌ها ظرفیت شگفت‌انگیزی برای تمایز به نورون‌های جدید و تشکیل سیناپس‌های عملکردی دارند؛ سیناپس‌هایی که می‌توانند مدارهای عصبی میزبان را احیا کنند و فرایند بازسازی نخاع را سرعت بخشند.
چاپ سه بعدی هم محور داربست هیدروژلی
بن‌بست بیولوژیک در محل ضایعه: ریزمحیط سمی اکسیداتیو
با وجود اینکه پس از بروز آسیب نخاعی، سلول‌های بنیادی عصبی درون‌زا در بافت‌های اطراف آسیب بلافاصله فعال می‌شوند، اما تنها تعداد انگشت‌شماری از آن‌ها می‌توانند به مرکز تخریب مهاجرت کنند و به نورون‌های حرکتی تمایز یابند.
دلیل اصلی این ناکامی، پاسخ التهابی شدید بدن در ساعت‌های اولیه تروما است. در این فاز، سلول‌های ایمنی حجم انبوهی از گونه‌های فعال اکسیژن و نیتروژن (ROS/RNS) ترشح می‌کنند. انتشار این رادیکال‌های آزاد، به‌ویژه پرکسی‌نیتریت، ساختار و عملکرد پروتئین‌های سلولی را درهم می‌شکند و موج گسترده‌ای از آپوپتوز و مرگ سلولی در میان سلول‌های بنیادی به راه می‌اندازد.
چالش‌های درمانی و محدودیت‌های مهارکننده MnTBAP
متخصصان برای مهار استرس اکسیداتیو شدید ناشی از SCI، از ترکیباتی مانند پردنیزولون، پورفیرین و تیریلازاد استفاده می‌کنند. در این میان، متالوپورفیرین سنتزی MnTBAP (منگنز III تتراکیس پورفیرین) کارایی فوق‌العاده‌ای در پاکسازی رادیکال‌های آزاد فاز حاد و حفظ حیات سلول‌های NSC نشان داده است. با این وجود، کاربرد بالینی MnTBAP با چند محدودیت جدی دست‌وپنجه نرم می‌کند:
- سمیت سیستمیک: پزشکان معمولاً دارو را به شکل سیستمیک تزریق می‌کنند؛ روشی که انتقال دارو به نقطه دقیق آسیب را دشوار می‌سازد و ارگان‌های دیگر بدن را در معرض مسمومیت دارویی قرار می‌دهد.
- پنجره زمانی بسیار کوتاه: اثرگذاری درمانی تزریق سیستمیک تنها تا ۸ ساعت پس از بروز آسیب دوام دارد.
- عدم انحراف مسیر تمایز: حتی در صورت کنترل اکسیداسیون، سلول‌های NSC به دلیل نبود ساختارهای حمایتی بیولوژیک، به جای تبدیل به نورون، به آستروسیت‌ها تبدیل می‌شوند و اسکار گلیال تشکیل می‌دهند.
بنابراین، محققان برای غلبه بر این موانع، استراتژی چاپ سه بعدی هم محور داربست هیدروژلی با توانایی رهایش موضعی و جهت‌دهی سلولی را در پیش گرفتند.
مهندسی داربست با تکنیک چاپ سه بعدی هم محور (Coaxial 3D Printing)
پژوهشگران در پژوهشی پیشگامانه که نتایج آن در مجله معتبر Acta Biomaterialia (2023) منتشر شد، ساختار هیدروژلی دولایه با ساختار پوسته-هسته (Core-Shell) را با بهره‌گیری از نازل‌های هم‌محور پرینت سه‌بعدی ابداع کردند. این ساختار هماهنگ دو بخش مجزا با وظایف تخصصی دارد:
- لایه خارجی (پوسته فداشونده): این لایه از هیدروژل حساس به دما بر پایه «ژلاتین و نانوفیبر سلولز» تشکیل شده که مولکول‌های فعال MnTBAP را در خود کپسوله کرده است. این پوسته با تخریب سریع در روزهای آغازین، مقادیر کافی داروی MnTBAP را درست در محل آسیب آزاد می‌کند تا استرس اکسیداتیو اولیه به سرعت سرکوب شود و سلول‌های بنیادی عصبی از مرگ نجات یابند.
- لایه داخلی (هسته پایدار هدایت‌کننده): این هسته از شبکه هیدروژلی متخلخل حاوی «مشتقات هیالورونیک اسید و سدیم آلژینات اصلاح‌شده با کادهرین نوع N (N-Cadherin)» شکل گرفته است. این لایه استحکام مکانیکی بادوام و تخلخل مناسبی برای هدایت امتداد آکسونی فراهم می‌آورد. مولکول‌های N-Cad با برقراری تماس‌های سلولی هدفمند، سلول‌های بنیادی را به سمت بافت نورونی هدایت می‌کنند.
نتایج ارزیابی‌های درون‌تنی (In Vivo) روی مدل حیوانی
تیم پژوهشی برای سنجش عملکرد واقعی این سیستم هوشمند، داربست‌های ساخته‌شده را در مدل موش‌های دچار ضایعه نخاعی پیوند زدند. پس از آن روند بهبودی را طی ۱۲ هفته با دقت زیر نظر گرفتند.
۱. ارزیابی حرکتی به روش Basso-Beattie-Bresnahan (BBB)
محققان با قرار دادن موش‌ها در میدان باز به صورت هفتگی، میزان بازیابی حرکتی مفاصل زانو و قوزک پا را ثبت کردند. موش‌های دریافت‌کننده داربست کامل (پوسته حامل MnTBAP + هسته حاوی N-Cadherin) نسبت به گروه کنترل و داربست‌های بدون دارو، نمرات بسیار بالاتری در مقیاس BBB کسب کردند و دامنه حرکتی اندام‌های تحتانی آن‌ها به شکل معنی‌داری بازگشت.
۲. تست استقامت صفحه شیب‌دار (Incline Plane Test)
برای سنجش قدرت عضلانی و توانایی حفظ تعادل، محققان موش‌ها را روی صفحه‌ای با روکش لاستیکی شیب‌دار قرار دادند. حفظ وضعیت تعادل برای بیش از ۵ ثانیه معیار موفقیت موش‌ها بود و در هر مرحله زاویه شیب ۵ درجه افزایش یافت. موش‌های تحت درمان با داربست چاپ زیستی هم‌محور توانستند در شیب‌های به مراتب تندتری تعادل خود را حفظ کنند. امری که نشان‌دهنده بازسازی عضلانی و بازگشت تحریک‌پذیری عصبی بود.
چرا تکنیک هم‌محور کلید موفقیت درمان است؟
دستاوردهای این مطالعه نشان می‌دهد که بازسازی موفق بافت پیچیده نخاع به یک برنامه‌ریزی زمان‌بندی‌شده دقیق نیاز دارد:
- فاز بحرانی اولیه: پاکسازی محیط از ROS و RNS توسط پوسته هیدروژلی بیرونی، محیطی پاک و ایمن برای بقای سلول‌های مهاجر می‌سازد.
- فاز رشد و سازمان‌یابی: لایه داخلی با توپولوژی خطی منظم، نقش یک قطب‌نمای بیولوژیک را ایفا می‌کند و رشد آکسون‌ها را به شکل مستقیم و ساختاریافته هدایت می‌نماید.
- تخریب هماهنگ با رشد بافت: هیدروژل داخلی سرعت تجزیه پایینی دارد و همگام با بلوغ سلول‌ها و جایگزینی ماتریکس خارج‌سلولی طبیعی، به آرامی جذب بدن می‌شود.
و نهایتاً باید گفت …
پیشرفت‌های به‌دست‌آمده از به‌کارگیری تکنیک چاپ سه بعدی هم محور داربست هیدروژلی، چشم‌انداز نویدبخشی را در جراحی‌های اعصاب و پزشکی بازساختی باز کرده است. این مهندسی هوشمند با تفکیک وظیفه خنثی‌سازی استرس اکسیداتیو از فرایند هدایت و تمایز سلولی، پتانسیل ورود به فازهای بالینی و تبدیل شدن به درمانی مؤثر برای آسیب‌های غیرقابل درمان نخاعی را دارد.
منبع
Li, Yuxuan, et al. “Coaxial 3D printing of hierarchical structured hydrogel scaffolds for on-demand repair of spinal cord injury.” Acta Biomaterialia 168 (2023): 400-415.
